n liczba moli elektronów E siła elektromotoryczna ogniwa F = en A stała Faradaya C/mol

Transkrypt

1 Zmiana entalpii swobodnej G podczas reakcji w której zachodzi przepływ elektronów jest pracą nieobjętościową i może być wyrażona jako iloczyn napięcie i ładunku. na przykład procesy oksydo-redukcyjne zachodzące na elektrodach. G G = -ne = - n F E n liczba moli elektronów E siła elektromotoryczna ogniwa F = en A stała Faradaya C/mol G (kj) = n E (1 mol elektronów porusza się w polu elektrycznym 1 V/cm)

2 Równanie Nernsta G = G 0 + RT ln c W stanie równowagi G = 0 E = E 0 RT/nF ln c E 0 = RT / nf ln (A + L / A - R) K + w / K - z = 20 E = K / 1 mol C ln 20 = 80 mv

3 Metal zanurzony w roztworze swoich jonów ma tendencję do wysyłania swoich kationów do roztworu. Na granicy metal-elektrolit zachodzą dwa procesy: przechodzenie atomów w postaci jonów z metalu do roztworu oraz równocześnie wydzielanie się z roztworu kationów na powierzchni metali, w postaci atomów. W wyniku przebiegu tego procesu elektroda metaliczna ładuje się do pewnego potencjału. Na granicy metal-elektrolit powstaje skok potencjału zwany potencjałem elektrodowym. Zaproponowany przez Nernsta mechanizm zjawisk towarzyszących powstawaniu potencjału elektrodowego prowadzi do wzoru na potencjał Ve elektrody zanurzonej w roztworze swoich jonów o stężeniu c: gdzie Veo - potencjał normalny tj. potencjał elektrody zanurzonej w roztworze o stężeniu kationów równym 1 mol/dm3, R - stała gazowa, F - stała Faradaya, T - temperatura bezwzględna, z - wartościowość.

4 Potencjał Donana Rozważmy naczynie przedzielone półprzepuszczalną membraną. W jednej części naczynia znajduje się mała ilość soli sodowej białka a po drugiej stronie membrany jest rozpuszczony chlorek sodu, co przedstawia rysunek. Początkowy brak jonów chloru Cl- w lewej części naczynia powoduje ich dyfuzję z prawej strony na lewą, ponieważ membrana jest nieprzepuszczalna tylko dla białka. W wyniku dyfuzji jonów chloru do lewej części przechodzą również jony sodu gdyż wymaga tego warunek zachowania elektrycznej neutralności. W przypadku gdyby przez membranę przechodziły wyłącznie jony chloru to roztwór po lewej stronie naładowałby się ujemnie i dalszy ruch ujemnych jonów chloru byłby niemożliwy, co zatrzymałoby proces dyfuzji. mlnacl = mpnacl Ponieważ NaCl jest całkowicie zdysocjowany możemy napisać mlna+ + mlcl- =mpna+ + mpcl- Pamiętając o tym, że potencjał chemiczny roztworu zależy od stężenia mr = m0 + RT ln xr, gdzie: x to ułamek molowy, po podstawieniu i kolejnych przekształceniach otrzymamy wyrażenie opisujące warunek równowagi w układzie, mlna+ mlcl- =mpna+ mpcl-

5 który można zapisać w innej postaci jako: mlna+ / mpna+ = mpcl- / mlcl- Oznacza to, że iloczyn stężeń jonów przeciwnych znaków po obydwu stronach membrany musi być jednakowy. Zauważmy, że zapis ten różni się od wyjściowego warunku równości potencjałów chemicznych chlorku sodu po obydwu stronach membrany. W stanie końcowym w lewym naczyniu pojawi się nadwyżka ładunku dodatniego pochodzącego od jonów sodu, gdyż do neutralnego na początku lewego naczynia przeszły jony sodu z prawego naczynia. Oznacza to, że bilans ładunku dodatniego jest dodatni podczas gdy ładunek wypadkowy po prawej wynosi zero. Z termodynamicznego punktu widzenia dla roztworu korzystniejsze jest przeprowadzenie samorzutnego zjawiska jakim jest dyfuzja niż wydatkowanie energii na utrzymanie rozdziału bądź przenoszenie ładunków elektrycznych przeciwko polu elektrycznemu. Tak więc do lewego naczynia przechodzą jednocześnie jony chloru i sodu. Trwa to tak długo dopóki nie wyrówna się potencjał chemiczny chlorku sodu po obydwu stronach membrany.

6 Przykład. Początkowe stężenie [Na4P-4] wynosi 10-3 M, a stężenie [NaCl] po prawej stronie membrany wynosi 10-2 M. Oblicz końcowe stężenia składników. Oznaczymy stężenie jonów chloru Cl, które przeszły na lewą stronę jako x wtedy pozostałe stężenia wynoszą odpowiednio [Na+]L = x [Na+]P = 10-2 x [Cl-]L = x [Cl-]P = 10-2 x Korzystając z równania na warunek równowagi Donana otrzymujemy: ( x)/(10-2 x) = (10-2 x) / x skąd x = M [Na+]L = [Na+]P = [Cl-]L = [Cl-]P = Obliczenia pokazują obecność nadmiarowego ładunku dodatniego w lewej części układu zarówno w stosunku do jonów sodu w prawym naczyniu jak i w stosunku do jonów chloru w lewym naczyniu.

7 A - potencjał membranowy B - wyłączona pompa jonowa napływ jonów Na + do wnętrza C - dalszy napływ jonów Na + wyłącza się pompa jonowa K + wypływ jonów K + na zewnątrz Powstawanie potencjału u czynnościowego ciowego Potencjał membranowy (mv) Czas, ms Potencjał równowagi dla Na + Próg działania Potencjał równowagi dla K + D - włącza się pompa jonów Na + dalszy wypływ jonów K + E - zmniejsza się stężenie Na + wewnątrz komórki, dalszy wypływ jonów K + na zewnątrz F - jony Na + prawie wszystkie na zewnątrz; włącza się pompa jonowa dla K + G - powrót do stanu równowagi przed wzbudzeniem Przewodnictwo (m mohm/cm 2 ) Kanały Przewodnictwo Na + Przewodnictwo K + zewnątrz wewnątrz zewnątrz wewnątrz

8 Elektroforeza Ruch elektrycznie naładowanej substancji rozpuszczonej pod wpływem zewnętrznej różnicy potencjałów. Zależy od - ładunku cząsteczki (znaku i wartości), -rozmiaru - szybkości dyfuzji. Większość biomolekuł posiada dużą liczbę labilnych protonów o różnych wartościach pka co oznacza, że w zależności od ph molekuła może być neutralna lub też posiadać ładunek elektryczny. Jeżeli molekuła jest naładowana to pod wpływem pola elektrycznego będzie się ona przesuwać.

9 Zależność pomiędzy siłą, prędkością i środowiskiem Cząsteczka o masie m i ładunku q w polu elektrycznym E porusza się ruchem przyśpieszonym z przyśpieszeniem a. m a = q E W roztworze podczas ruchu cząsteczka podlega również działaniu siły tarcia f proporcjonalnej do prędkości v. m a = q E f v Po włączeniu pola elektrycznego cząsteczka przyśpiesza tak długo dopóki nie zostanie osiągnięta końcowa czyli gdy pojawi się równowaga pomiędzy siłą tarcia a siła napędową tego ruchu czyli natężeniem pola elektrycznego. Warunek ten pozwala obliczyć końcową stałą prędkość z jaką w danych warunkach porusza się cząsteczka w roztworze. v k = qe/ f

10 Z punktu widzenia mikroskopowego zjawisko to wynika z faktu, iż naładowana cząsteczka podczas swego ruchu wchodzi w wiele zderzeń i innymi cząsteczkami. W zależności od warunków otoczenia różne będą czas pomiędzy kolejnymi zderzeniami oraz droga przebyta między zderzeniami. Wzory który łączą ruchliwość jonu u z natężeniem pola elektrycznego E i współczynnika dyfuzji D. u = q D / kt lub f = kt / D Dwa zjawiska. - dyfuzja z cienkiej warstwy o dużym stężeniu opisana równaniem dyfuzji dm/dt = -D grad c. -przepływ jonów opisany równaniem dm/dt = u E c. Analiza tych zjawisk prowadzi do wniosku, że dyfuzja i ruch jonów są procesami niezależnymi.

11 Drogę d przebytą po czasie t od włączenia pola przez jon pod wpływem pola elektrycznego E można opisać wzorem: d a d b = v a t v b t = (u a u b ) E t Wzór ten pokazuje liniową zależność pomiędzy drogą przebytą w żelu a ruchliwością molekuły a ta jest związana z masą cząsteczkową. Zależność ta została wykorzystana do obliczania masy cząsteczkowej makromolekuł. Żel jest stosowany w celu ograniczenia dyfuzji i ma zapobiegać mieszaniu się rozdzielonych molekuł.

12 Wyniki elektroforezy białka

13 Zastosowanie elektroforezy do sekwencjonowania DNA

14 Technika patch-clamping clamping CAP - cell attached-patch; IOP - inside-out patch; WC - whole cell; OOP - outside-out patch; pp WC - permeabilized patch

15 Ekwiwalent elektryczny pomiaru typu WC (Whole Cell) Es, Rs, Cs dotyczy napięcia przyłożonego Ek, Rk, Sk reprezentuje cała komórkę Rp, Cp reprezentuje pipetę Pomiary prądowe z pojedynczego kanału dla układu idealnego a.b oraz rzeczywistego c,d.

16 Badanie struktury i funkcji pipeta technika patch-clamp prąd jonowy próbka kamera CCD mikroskop konfokalny